메탄생성

메탄생성(methanogenesis 또는 biomethanation)은 메탄생성균(methanogens)으로 알려진 미생물에 의한 메탄 형성을 뜻한다. 현재까지 메탄을 생산하는 미생물은 고균에서만 발견되었다. 메탄생성은 혐기성 호흡의 일종으로 메탄생성균은 산소를 사용하지 않고 최종 전자수용체로 저분자량의 유기화합물에 존재하는 탄소를 이용한다. 가장 널리 알려진 메탄생성은 이산화탄소와 아세트산을 전자수용체로 사용하는 반응이다.

목차

메탄(methane)은 탄소 하나와 수소 4개가 결합한 (CH₄) 가장 간단한 형태의 탄소화합물이다. 상온-대기압 조건에서 무색무취의 기체 상태로 존재하며, 녹는점은 -182 ℃, 끓는점은 -164~-160 ℃이다. 메탄은 지구에서 가장 풍부한 유기 화합물이며 천연가스의 주요성분이다. 자연계의 메탄은 주로 미생물에 의해 생성된다. 미생물의 메탄생성은 혐기성 호흡의 일종이다. 메탄생성균은 절대혐기성 미생물이기 때문에 호기성 조건에서는 생장할 수 없으며 산소는 메탄생성을 저해한다. 메탄생성의 최종 전자수용체는 저분자량의 유기화합물에 있는 탄소이다. 가장 잘 알려진 메탄생성 경로는 아세트산이나 무기 이산화탄소를 최종 전자수용체로 사용하는 반응이다.

- CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

- CH₃COOH → CH₄ + CO₂

탄수화물의 혐기성 호흡 과정에서, 수소와 아세트산이 2대1 또는 그 이하의 비율로 생성되므로 메탄생성에 있어 수소는 약 33% 정도 기여하는 반면 아세트산은 더 많은 비율을 차지한다. 반추위와 같은 특정 환경에서는 다량의 아세트산이 혈류로 흡수되기 때문에 메탄생성에 있어 수소의 비중이 더 큰 편이다. pH와 온도에 따라 메탄생성은 포름산(formate), 메탄올, 메틸아민(methylamine), 테트라메틸암모늄(tetramethylammonium), 디메틸설파이드(dimethyl sulfide), 메탄 티올(methanethiol) 등의 다른 작은 유기화합물의 탄소를 사용하는 경우도 보고되었다.

일부 생물체는 메탄을 산화시킴으로서 메탄생성의 역반응을 일으킬 수 있다. 이를 혐기적 메탄 산화(anaerobic oxidation of methane, AOM)라고 한다. AOM을 수행하는 생물체는 메탄유출지, 열수구, 연안 퇴적물, 황산염-메탄 전환 지역을 포함한 여러 해양 및 담수 환경에서 발견된다. 이 미생물은 메탄생성균이 사용하는 methyl-coenzyme M reductase와 유사한 니켈 함유 단백질을 사용하여 메탄생성의 역반응을 일으키는 것으로 보인다.

- SO₄^2- + CH₄ → HCO₃^- + HS^- + H₂O

메탄생성 경로 (출처: )

메탄은 주요 온실가스의 하나로 알려져 있으며, 대기중에서 반응에 의해 분해되기 때문에 이산화탄소에 비해 영향을 미치는 기간이 짧지만, 동일 기간 중 온실효과는 이산화탄소보다 훨씬 강하다. 대기 중에 방출되는 메탄의 주요 원인 중 하나가 초식동물의 소화과정에서 생성되는 메탄가스이다. 반추 동물의 장에서는 메탄생성균에 의해 셀룰로스가 소화되어 영양소의 형태로 전환된다. 영양소는 장에서 흡수되지만 부산물인 메탄은 트림(eructation)에 의해 동물에서 방출된다. 평균적으로 암소는 하루에 약 250리터의 메탄을 방출하는 것으로 알려져 있으며 가축으로 기르는 반추동물은 인간행위에 의한 메탄 배출량의 약 25%를 차지한다. 인간의 대변에서도 메탄을 생성할 수 있는 고균이 발견되었으며 직장(rectum) 내 가스 분석을 통해서도 확인되었으나 메탄의 비율은 전체 가스의 10% 이하이다. 살아있는 식물의 잎 조직에서도 메탄이 방출된다는 결과들이 있으나, 실제로 식물이 메탄을 생성하는 것이 아니라 토양에서 흡수한 메탄을 잎 조직을 통해 방출하는 것이라는 주장이 있다. 

메탄가스 배출 (출처: GettyImages-925420940)

미생물, 고균, 전자수용체, 혐기성, 메탄생성균

김민규/한국원자력연구원

이창로/명지대학교

1. Thauer, R. K. 1998. Biochemistry of Methanogenesis: a Tribute to Marjory Stephenson. Microbiology 144, 2377–2406.

2. Katz, B. 2011. Microbial processes and natural gas accumulations. The Open Geology Journal. 5, 75–83.